机床运转状态下相对激振的动态性能研究.pdf

设计 与研究 组合机床与自 动化加工技术 文章 编 号 1 0 0 12 2 6 5 2 0 1 0 0 80 0 2 00 4 机床运转状态下相对激振的动态性能研究 王芳 ， 董异志 ， 周利 贤 云 南 省机械研 究设 计 院 云 南省机 电一体化 应用 技术 重点 实验 室 ， 昆明 6 5 0 0 3 1 摘 要 阐述 了在机床 运转状 态下进行 相对激振试验 的方法及其 原理 ， 并利 用此方 法测定 了 K 3 6 0 A数控 车床 的动态特性 ， 分析 了机床 的薄弱模 态及其对机床性能的影响。同时， 通过机床运转和静止两种不同状态下 试 验结果 的对 比分析 ， 得 出旋转状 态下的动 态测试 能更准确地揭 示影响机床加 工性能的动 力学本 质。 关 键词 机床 ； 动 态特性 ； 相 对激振 试验 中图分 类号 T H1 6 ； T G 6 5 文献 标识码 A The Dy na m i c Pe r f o r m a n c e o f Re l a t i v e Ex c i t a t i o n Un de r t he M a c hi ne To o l Ope r a t i on St a t e W ANG F a n g，D0NG Yi ． z h i ．ZH0U L i x i a n Yu n n a n Me c h a n i c a l Re s e a r c h De s i g n I n s t i t u t e 。Ke y L a b o r a t o r y o f E l e c t r o me c h a n i c s I n t e g r a t i o n Ap p l i c a t i o n T e c h n o l o g y，Ku n mi n g 6 5 0 0 3 1，C h i n a Abs t r ac t The r e l a t i v e e x c i t a t i o n me t h o d a nd i t s p r i n c i p l e u nd e r t he ma c h i ne t o o l o p e r a t i o n s t a t e wa s de s c r i b e d． An d t he d yna mi c c h a r a c t e r i s t i c o f CNC l a t he K3 6 0 A wa s t e s t e d u s e t he s a me me t ho d． a n d t he a f f e c t o f t he f a ul t mo d u l e wa s a n a l yz e d．a t t he s a me t i me ，t h r o u g h d i f f e r e n t c o n d i t i o n s of d yn a mi c a n d s t a t i c c o m pare d wh i c h we c a n g e t a c o n c l u s i o n t ha t i s t h e d yn a mi c pe r f o r ma n c e i s mo r e a c c u r a t e l y． Ke y wo r ds ma c h i ne t o ol ； d yn a mi c c h ara c t e r i s t i c ； r e l a t i v e e x c i t i n g e x pe r i me nt O 引言 机床 动态 特性是 机床 在一 定 激振 力下 振 幅 和相 位 随激振频率而变化的特性 ， 机床结构 的动态试验可为 机床 动 态特性 的研究 和结 构优 化设 计 提供 客观 的试 验 分析 数据 。 目前 ， 经 济 型 数 控 机 床 在 国 内数 控 机 床 市 场 占有较 大份 额 ， 但 其 在抗 振 性 和 功能 稳 定 性 方 面 的 不 足也 比较突 出 。K 3 6 0 A是 云南机 床厂 新研 制 的经 济 型数 控 车床 ， 为 了分 析车 床 的动 态性 能 ， 我们 对该 车 床 进行 了全 面 的性能试 验研 究 。本 文针 对其 中 的相 对 正 弦激 振试 验 内容 ， 对 试 验 的 方 法 和结 果 进 行 了详 细 的 说 明和分 析 。 1 试验方案 激 振试 验 法 以柔 度频 率 特 性 为 基本 原 理 ， 即 以车 床动柔度的最大负实部作为鉴定车床 的动态特性的指 标 ， 其值 越大 ， 则机 床动 态性 能越 差 。在 适 当位 置对 车 床施 加 外部激 振 力 ， 通 过 传 感 器 等 测试 设 备 同 时测 定 激 振信 号和相 应 的响 应 信 号 ， 再 经 分 析设 备 对测 得 的 两种信 号进行 分 析 与处 理 ， 可 求 得 车床 系统 的频 率 分 布及 其 动柔度 ， 进 而判别 车床 动态性 能 。 在试 验 方 案 的确 定 时 ， 我们 充 分 考 虑 了 车床 的 实 际工 况 车床 在实 际切 削过程 中 ， 刀具 与 工件 之 间 同时 受 到切 削力 的作 用 ， 相 当于 在 两 者 之 间施 加 了大 小 相 等 、 方 向相反 的作用 力 与反作 用 力 ， 机床 切 削过 程构 成 一 个 闭环动力 学 系统 。为 了使 机 床 的动 态测 试试 验 更 接 近机 床 的实 际加 工 过 程 ， 我 们 以机 床 主 轴旋 转 作 为 试 验状 态 ， 通 过 非 接 触 式 的 电磁 激 振 器 在 主 轴 工 件 系统 和刀架 之 间产生 激振 力 来模 拟 实 际切 削力 。测 试 系统 如 图 1所示 。 图 1 相 对 激 振 试 验 测 试 系统 该 测试 系统 主要包 括激 振力 产 生 、 激振 力 测量 、 振 动 响应 测量 和数 据 处 理 几 个 部 分 ， 激 振 力 的产 生 和 测 收稿 日期 2 0 1 00 11 2 作者简介 王芳 1 9 6 6 一 ， 女， 白族 ， 云南大理人 ， 云南省机 械研究设计院高级工程师 ， 现从 事机电一体化设计研究 ， Ema i l k m w f 6 6 s i n a ． c o n 。 2 O 2 0 1 0 年第8 期 设计与研究 量 由 Z D J 1电磁激 振 器完成 ， 电磁激 振器 内部放 置 有 三 套线 圈 ， 一 套直 流 线 圈 ， 由直 流 电源 供 电 ， 以产 生 恒 定 磁场 ； 一套 交流 线 圈 ， 通 以交 变 信 号 以产 生 激 振 力 ； 还 有一 套 检 测 线 圈 ， 测 量 激 振 力 。数 据 处 理 设 备 是 H P 3 5 6 2 A动 态信 号分 析 仪 ， 本 设 备 利 用 快 速付 里 叶 变 换 F F T 原理将 模 拟输 入 的 时域 电信 号 转换 为 频 域 信 号进 行分 析 ， 根 据 测 量 要 求 可 对 不 同 物 理量 进行 时 域 分析 及频 域分 析 ； H P 3 5 6 2 A分 析 仪 还 自带 有 机 载 信 号 源 ， 可 提供 随机 噪 声 、 猝 发 随机 噪声 、 周 期 线 性 调 频 脉 冲 、 猝 发线 性调 频脉 冲 、 正弦 等多种 信 号 。 Z D J 1电磁 激振 器在 输 入 直 流 电 电流 大 小 由 F P 2 功率 放 大 器 控 制 建 立 起 恒 定 磁 场 的 基 础 上 ， 由 H P 3 5 6 2 A分 析仪 发 出的正 弦 电压信 号经 过 F P 2功率 放 大器 进行 放大 ， 给 激 振 器 提 供 与 电 压 信 号 成 正 比的 电 流 ， 使 激振 器产 生 符 合 要 求 的激 振 力 。产 生 的 激 振 力 由力 检 测 线 圈输 出 ， 经 T D 1 5 1 0 0精 密积 分 器 输 入 F F T 分析 仪 ； 而拾振 则采 用 MM 0 0 0 4电容 式 位移 传 感 器 ， 并 经过 B K 2 8 0 4极化 电源 把位 移 响 应 信 号送 到 F F T分 析 仪 。经过相 关性 分析 、 传递 函数 分析 ， 得 到 机床 的动 柔 度 、 幅频 、 相频 特性 曲线 。 2车床相对激振试验 2 ． 1 电磁 激振 器的 安放 为 了模 拟机 床实 际工 作 时产 生 于工 件 和刀 具 之 间 的切 削力激 励方 式 。我们 制作 了专用 的装 夹具 来 安放 电磁 激振 器 ， 结 构如 图 2 。为避 开 激振器 支 架 的固有 频 率对机 床结 构 的影 响 ， 设 计 时对 该 支架 进 行 了理 论 模 态分析 ， 表 1为该 支架 的前 十 阶 固有 频 率 。一般 来 说 ， 机床 的主要 振 动模 态 分 布 在 5 0 0 H z以下 的低 频 段 内 ， 所 以 ， 该 支 架 的结 构设 计是 安全 的 。 A面 图 2电磁激振器支 架 表 1 阶 数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 固有 频 率 O l l 6 5 l 3 6 3 2 3 7 2 3 8 1 7 4 4 8 7 5 2 3 1 5 5 2 2 6 1 8 8 6 8 3 2 Hz 安 装激 振器 时 ， 激 振 器 支 架 的 A面 和 C面 安 装在 刀架 上 ， 曰面支 撑激振 器 ， 其 斜 面结 构 保 证 了激 振 器 产 生 的激振力 与 图 中所 定义 的 】 ， 方 向的交角 为 3 0 。 ， 如 图 3所示 ， 这 样产 生 的激 振力 相 当于 是 一 个 合 力 ， 可分 解 为 y方向的 F 和 z方 向的 F ， 这与不考虑进给力 时 的实 际切削 力 是 吻 合 的。 拾振 点 与激 振 点尽 量 靠 近 ， 支 承拾振 传 感器 的磁 力 表 座 吸 附 固定 在 刀架 上 ， 拾 振 方 向为 l ， 方 向 ， 如 此测 得 的 动柔 度 是 交 叉 动柔 度 。 被 激 试件 为 刚性 外 圆工 件 ， 材 料 为 4 5钢 ， 尺 寸 为 1 o o 2 5 0 ， 这样 的结 构 同样 可避 免试 验 中工 件 本 身 的振 动 频 率 与机 床 的主要 振 动模 态相 混 。工 件在 试 验前 进 行 了 精车 ， 使其任一点的跳动小于 0 ． 0 2 0 mm。 2L 向 一 图 3 激 振 器 和 拾 振 传 感 器 的 安 放 位 置 示 意 图 试 验 时 ， 信 号源 输 出 电压 为 4 V 峰 值 ， 正 弦 激 振 频率扫描率小于 1 H z ／ s ； F P 2型功率放大器输出直流电 流 约 2 A， 输 入 交变 激振 电流 在 7 ． 8 A至 1 1 A之 间 。 2 ． 2 实验 结果 我们 测 试 的 C Y ． K 3 6 0 A 车 床是 两 坐标 纵 向 z、 横 向 连续控制卧式数控车床 ， 由变频 主电机通过三挡 机械变速带动主轴 ， 实现无级变速 ， 其转 速范围为 低 速 档 4 5～2 0 0 r ／ m i n ， 中速 档 1 8 0～ 8 0 0 r ／ m i n ， 高速 档 7 8 0 ～ 3 5 0 0 r ／ mi n 。由于 车床 在 运 转状 态 下 ， 电 动机 、 主轴 、 各传动轴和齿轮等旋转部件以及车床的冷却系统都对 车床施加不同的激励 ， 使车床产生相 应的受迫振 动响 应。为了分析车床在不 同转速下 的动态特性 ， 本文选 择 了主 轴 转 速 分 别 为 n0 r ／ mi n 、 n2 2 0 r ／ mi n 、 n 8 0 0 r ／ mi n 、 n3 0 0 0 r ／ m i n四种试 验 工 况 进 行分 析 研 究 。 图 4 、 图 5分 别 是 主 轴 在 转 速 为 n0 r ／ m i n和 n 3 0 0 0 r ／ mi n时 ， 试 件相 对 于刀架 在 正 弦激 振 下拾 振方 向 的试 验谱 图 ， 从 上 至下 分别 是 系统 频 响 函数 幅频 图、 激 振力 功率 谱 图 、 系 统频 响 函数 实频 图、 系 统频 响 函数 虚 频 图和 N y q u i s t图。 分 析 系 统 传 递 函数 实频 图 和虚 频 图 ， 经 过 真 假 模 态识别 ， 可得到各种转速下车床刀架系统的模态 分布。各阶模 态的共振频 率和交 叉动柔度 如表 2所 示 。 2 ． 3试 验 分析 从 车床 工件 和 刀架之 间相 对 位移 响应 的 幅频 特 性 和交叉动柔度的计算值分析可知 ， 该车床的主要 频率 响应 分 布 在 5 0 0 H z以 下 ，共 有 3 阶 模 态 ， 分 别 是 1 4 8 H z 、 2 1 4 H z 、 3 0 7 H z ， 其 中第 一阶模态 1 4 8 H z的峰值 ． 21 设计与研究 组合机床与自 动化加工技术 鼢％船 I l l ； 八 l ； l r l I1 l JL- lI I l ． _ _ 一l 舷 Ⅲ I 1 l l 一 1 ’ 1 l l l }一 V ．k i l l I l l i 一 彝 ●● 重 ■ ∞ 一 i} 搿 l 妻 -恻 - 矗 拈 脚 ， 1 ． ● 鞠嗡 ●． 阴 l ll IIl l i } j 1 l I ． 】 l ～ 一 i 1 _ _■ 一 毫l | 蠢l ’ 一 1 一 两 钳 Y l 耋 ,- 棚t I - 童 ∞ _ 耱 l l 一 ．■■- I l f I l 『 l } { I l l l 、 l 厂 { ； U ， 1 t ． , I D7 秘, 17 。 7 I． H -I 嚣 錾- 毒 警 嘲 苎 黝 鑫 窑 蠢 彝 彝 o 。 f f i l - ． ．f ， 、 ． ～ 图 4， l O r ／ mi n 最大， 而且从 N y q u i s t 图可看 出， 第一阶模态具有最大 的负实部 ， 它 对车床 结构 的抗 振 性影 响 最大 ， 同时又 具 有最大的矢量幅值 ， 说明它对车床的切削加工精度 表 面质量 的影 响也 是最 大 的 ， 因 此 ， 1 4 8 Hz的模 态 既 影 -5∞ 一 囊 蒿 l l ／ 。 ’ ‘ _ 一 { 、 l V 图 5 n3 0 0 0 r ／ mi n 响该车床的切削抗振性又影响切削加 工精度 ， 是该 车 床 的 主要薄 弱模 态 ； 第 二 阶模 态 2 1 4 H z具 有较 大 的峰 值 ， 同时也具有一定的负实部， 对车床的切削抗振性 和 切削 加工精 度 有一 定 的影 响 ； 第 三 阶模 态 3 0 7 H z的 幅 2 0 1 0 年第8 期 设计 与 研 究 值最小 ， 而且 没 有负 实部 ， 对车 床性 能影 响较 小 。 另 一 方 面 ， 对 比主 轴 在静 止 和运 转 两 种 试 验 工 况 下的试验结果可以看出， 在两种不 同工况下 ， 工件和刀 具之 间 的相 对位 移 响应 的幅 特 性 是 相 似 的 ， 对 工 作 点 的相 对位 移贡 献 较大 的模 态 阶数 及其 共 振频 率 也基 本 相同 ； 但车床运转状态下 ， 其相对振 动位移幅值较静止 状态要 小 ， 这 说 明车床 运转 时 ， 主 轴 系统 的 阻尼 因素 得 到较好 地发 挥 ， 阻 尼 因 素有 效 地 降低 了工 作 点 的 相 对 位移响 应 的幅值 。 表 2 主轴运转状态 r ／ mi n 模 态 共振频率 Hz 动柔度 m／ N l 1 4 9 ． 3 7 0 ． 9 2 2 n 0 静止 2 2 l 3 ． 7 5 0 ． 3 7 5 3 3 0 8 ． 7 5 0 ． 1 O 9 l 1 4 7 ． 5 0 0 ． 7 2 5 n2 0 0 低速挡 2 2 1 5 ． 0 O 0 ． 2 5 8 3 3 0 3 ． 1 2 0 ． 0 5 5 1 1 4 7 ． 5 0 0 ． 6 4 9 n8 0 0 中速档 2 2 1 3 ． 7 5 0 ． 0 8 4 3 3 0 5 ． 62 0 ． 0 3 6 1 1 48 ． 7 5 0． 4 81 n3 0 0 0 高速档 2 2 1 5 ． 6 2 0 ． 2 0 2 3 3 07 ． 5 0 0． 0 5 7 3 结束语 根据本 文 的试验 结果 及分 析 ， 可 以得 出 1 相 对激振 能 够 激 起 与 加 工性 能 有 关 的机 床 振 动 模态 。 2 机 床旋 转状 态 下 的动 态 测 试更 接 近机 床 的实 际加工 过程 ， 能 更 准 确 地 揭 示 影 响 机 床 加 工 性 能 的动 力 学本 质 。 结 合 模 态 试 验 和 切 槽 抗 振 试 验 结 果 ， 我 们 对 K 3 6 0 A车床提出了以下的结构修改建议 1 前床 脚 刚度 低 ， 因此 主 电机 的振 动将 引起 前 床 脚 更大 的振 动 ， 从 而影 响到 整机 的振 动 ， 改前 床脚 的结 构 。 2 主轴系统相对位移较大 ， 需提高动平衡精度和 装 配质 量 。 [ 参 考文献] [ 1 ]廖伯瑜 ， 周 新 民 ， 尹志 宏．现代 机械 动 力学 及 其工 程应 用 第 1版 [ M] ．北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 2 ]周红桥．微机车床动态验收 系统 的设计研 究[ D] ． 武 汉 武 汉 大 学 ， 2 0 0 5． [ 3 ]林宝 阳．相对激振在 机床模 态分 析 中的应 用 [ J ] ．重 庆大 学学报 ， 1 9 8 5 ， 1 2 5 1 4 2 0 ． [ 4 ]杨理诚 ， 周新民 ， 桑建兵 ， 等 ．基 于动态 测试 的机 床主轴 系 统仿真研究 [ J ] ．机床 与液 压 ， 2 0 0 6 6 1 7 0， 2 1 72 1 9 ． [ 5 ]顾熙棠．机 床动态性 能试 验 的方法 和数 据 处理 四 [ J ] ． 机床 ， 1 9 8 8 1 1 1 1 ， 2 93 0 ． [ 6 ]朱 自成 ， 夏 季．C WY 6 1 4 0车 床 动态 性 能 的激 振 试验 分 析 [ J ] ．四川建 材学院学报 ， 1 ．9 9 3 ， 8 9 1 9 2 2 ． [ 7 ]王飞月．机床 的动 态特性 分析 [ J ] ．河 北工业 科 技 ， 2 0 0 1 ， 1 8 4 1 11 4 ， 2 7 ． 编辑李秀敏 上接 第 1 9页 从 以上 的分 析可得 ， 对 于 图 2所示 的进 给 系统 ， 避 免 因爬 行产生 波纹 度需 考虑 以下 几点 1 由于滚 珠丝 杠及 滚 动导 轨 的摩 擦力 矩 随预 紧力 的增大而显著增加 ， 对有严格精度要求 的丝杆系 统 ， 其预 紧力不 能加 得太 大 。 2 轴 向力 使得 丝杠 的轴 向接 触刚度 下 降 ， 可能 的 做法 是避 免丝 杆 系统 承受 过 大 的轴 向力 ， 或 进 行 自重 平衡 以减少 丝杠 轴 向力 ； 3 提高丝杠 的刚度 ， 避免丝传动轴 直径偏小、 杠 接 触 刚度过 小 ， 从 而造 成 摩 擦 力 波 动 引起 丝 杠 系统 运 行 的不 平稳 性而性 成 加工 表面 的波 纹度 现象 。 4 丝杠 系 统 整体 刚 度 还 包 括 支 承 座 、 轴 承 等 刚 度 ， 因而 其他 结构 的刚度 也是 需要 注 意 的。 [ 参考文献] [ 1 ]李丽伟．超精 密车削表面三维形貌的形成及加工 影响 因素 分析 [ J ] ．制造技术 与机床 ， 2 0 0 3 2 4 95 2 ． [ 2 ]高宏 刚．脆 硬 材料 光滑 表 面的 波纹 度及其 产 生机 制初 探 [ J ] ． 航 空精密制造技术 ， 1 9 9 8 1 l 51 7 ． [ 3 ]臧照 良． 基 于振 动理 论 的数 控 机床 爬 行 现象 分 析及 对 策 [ J ] ．机 械制造与 自动化研究 ， 2 0 0 6 1 2 7 47 6 ． [ 4 ]袁建畅．导 轨磨 削波纹分析与排除 [ J ] ．制造技 术与机床 ， 2 0 0 1 9 2 73 3 ． [ 5 ]尹 学军．H T S D直线滚动导 轨副 动态摩擦 力实验 研究 [ J ] ． 制 造技 术与机床 ， 2 0 0 0 6 1 61 7 ． [ 6 ]康献 民 ， 王大承 ， 王天雷．精 密丝 杠副中滚珠 冲击 及其影 响 因素研究 [ J ] ．五 邑大学学报 ， 2 0 0 9 4 1 6 ． [ 7 ]朱江红 ．低速球轴 承摩擦 力矩 的分 析研究 [ J ] ．导 弹与航 天运载技术 ， 2 0 0 0 6 2 0 2 5 ． [ 8 ]李建华．陀螺仪框架灵敏轴承摩擦力矩影响 因素分析 [ J ] ． 轴承 ， 2 0 0 6 7 4 7 ． [ 9 ]吴长宏．滚珠丝杠 副轴向接触刚度的研究 [ D] ．吉林 吉林 大学 ， 2 0 0 7 ． 编辑李 秀敏 23